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JP2938445B1 - Quantum well optical modulator, optical communication module and optical communication system using the same - Google Patents

Quantum well optical modulator, optical communication module and optical communication system using the same

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Publication number
JP2938445B1
JP2938445B1 JP25274298A JP25274298A JP2938445B1 JP 2938445 B1 JP2938445 B1 JP 2938445B1 JP 25274298 A JP25274298 A JP 25274298A JP 25274298 A JP25274298 A JP 25274298A JP 2938445 B1 JP2938445 B1 JP 2938445B1
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JP
Japan
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quantum well
layer
optical modulator
well
barrier layer
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和彦 細見
正敬 白井
俊夫 勝山
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

【要約】 【課題】 従来のIII-V族のみで構成した量子井戸で
は、励起子の振動子強度が十分でないため井戸幅を広げ
た場合消光比が劣化してしまう。 【解決手段】 井戸層11に誘電率の大きな材質(III-
V族化合物)を用い、また、障壁層12にZeSe等の誘
電率の小さな材質(II-VI族化合物)を用いて量子井戸
構造を形成し、井戸層11と障壁層12の誘電率の比を
1.5より大きくして、量子井戸での電子と正孔のクー
ロン相互作用を増強させ、励起子の結合エネルギと振動
子強度を増大させる。そして、励起子の結合エネルギを
一定に保った場合の量子井戸幅を従来の材料系に較べて
大きくして動作電圧を低くする。
Abstract: In a conventional quantum well composed of only III-V group, the extinction ratio deteriorates when the well width is widened because the oscillator strength of excitons is not sufficient. SOLUTION: A material having a large dielectric constant (III-
A quantum well structure is formed by using a material having a low dielectric constant (eg, a group II-VI compound) such as ZeSe for the barrier layer 12, and a ratio of the dielectric constant between the well layer 11 and the barrier layer 12. To be greater than 1.5 to enhance the Coulomb interaction between electrons and holes in the quantum well and increase exciton binding energy and oscillator strength. Then, the quantum well width when the binding energy of the excitons is kept constant is made larger than that of the conventional material system to lower the operating voltage.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、屈折率制御型およ
び電界吸収型の量子井戸光変調器に係り、特に、低消費
電力で高速応答を行うのに好適な量子井戸光変調器とそ
れを用いた光通信用モジュールおよび光通信システムに
関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a quantum well optical modulator of a refractive index control type and an electro-absorption type, and more particularly to a quantum well optical modulator suitable for performing high-speed response with low power consumption and the same. The present invention relates to an optical communication module and an optical communication system used.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、光伝送技術は目覚ましい発展をと
げ、現在までに10Gbps(10ギガビット/秒)の光伝
送システムが実用化されており、今後も一層の大容量化
が進むものと予想される。この10Gbpsの光伝送システ
ムでは、半導体レーザの駆動電流を変化させ、出力光の
強度変調を直接行う直接変調技術に代わって、低チャー
ピングで高速動作が可能な外部変調技術(発光素子から
の出力光を、外部に設けた変調器(外部変調器)により
強度変調する)に移行されている。
2. Description of the Related Art In recent years, optical transmission technology has made remarkable progress, and an optical transmission system of 10 Gbps (10 gigabit / second) has been put to practical use until now, and it is expected that the capacity will be further increased in the future. You. In this 10 Gbps optical transmission system, the direct modulation technology that changes the drive current of the semiconductor laser and directly modulates the intensity of the output light is replaced by an external modulation technology that enables high-speed operation with low chirping (output from the light-emitting element). Light is intensity-modulated by an external modulator (external modulator).

【0003】この外部変調技術において、光伝送システ
ムの一層の大容量化のためには、より高性能な外部光変
調器の開発が重要となってきている。外部変調に用いら
れる光変調器の材料としてはLiNbO3等の誘電体を用
いたものと、InPやGaAs等の半導体を用いたものが
ある。この半導体を用いた光変調器は、半導体レーザ
等、他の光素子や電子回路との集積化が可能であり、小
型化および低電圧化も容易な半導体光変調器への期待が
高まりつつある。
In this external modulation technique, development of a higher performance external optical modulator has become important in order to further increase the capacity of an optical transmission system. As a material of the optical modulator used for the external modulation, there are a material using a dielectric such as LiNbO 3 and a material using a semiconductor such as InP or GaAs. An optical modulator using this semiconductor can be integrated with other optical elements and electronic circuits such as a semiconductor laser, and expectations for a semiconductor optical modulator that can be easily miniaturized and reduced in voltage are increasing. .

【0004】この半導体光変調器として代表的なものに
は、電界吸収型光変調器とマッハツェンダー型光変調器
が挙げられる。電界吸収型光変調器では、バルク半導体
のフランツケルディッシュ効果や、量子井戸構造で見ら
れる量子閉じこめシュタルク効果(QCSE)のよう
に、電界が印加されると基礎吸収端が長波長側にシフト
する現象を利用して光吸収の程度を制御することで光の
変調を行う。また、マッハツェンダー型変調器では、バ
ルク半導体のポッケルス効果やQCSEによって生じる
屈折率変化を利用し、印加する電界で屈折率を制御する
ことで光の変調を行う。
[0004] As typical semiconductor optical modulators, there are an electroabsorption optical modulator and a Mach-Zehnder optical modulator. In an electro-absorption optical modulator, when an electric field is applied, the fundamental absorption edge shifts to a longer wavelength side, such as the Franz-Keldysh effect of a bulk semiconductor or the quantum confined Stark effect (QCSE) found in a quantum well structure. Light modulation is performed by controlling the degree of light absorption using the phenomenon. Further, the Mach-Zehnder modulator modulates light by controlling the refractive index with an applied electric field, utilizing the Pockels effect of a bulk semiconductor or a change in the refractive index caused by QCSE.

【0005】量子井戸構造を採用してQCSEを利用し
た光変調器は、電界吸収型および屈折率制御型のいずれ
においても、バルク半導体の変調器よりも遙かに高効率
であるため、超高速光通信用の変調器として盛んに研究
されている。しかしながら、QCSEを利用したこれら
の光変調器でも、40Gbps以上の超高速動作のもとでの
動作電圧は数Vであり、光通信システムの信頼性および
コストの観点から、この動作電圧の大幅な低減が望まれ
ている。
[0005] An optical modulator employing a QCSE employing a quantum well structure has much higher efficiency than a bulk semiconductor modulator in both the electroabsorption type and the refractive index control type. It has been actively studied as a modulator for optical communication. However, even with these optical modulators using QCSE, the operating voltage under ultra-high-speed operation of 40 Gbps or more is several volts, and from the viewpoint of the reliability and cost of the optical communication system, this operating voltage is greatly increased. Reduction is desired.

【0006】QCSEの効果は近似的に井戸幅の4乗に
比例するので、量子井戸幅を広げることで変調動作の電
界に対する高効率化を図る、すなわち、動作電圧を下げ
ることができる。しかし、その反面、量子井戸幅が広い
と、電子とホールの波動関数の重なりが小さくなり、励
起子(電子・正孔対)の振動子強度が小さくなり、その
結果、消光強度も減少するという問題がある。
Since the effect of QCSE is approximately proportional to the fourth power of the well width, the efficiency of the modulation operation with respect to the electric field can be increased by increasing the quantum well width, that is, the operating voltage can be reduced. However, on the other hand, when the quantum well width is wide, the overlap between the wave functions of electrons and holes is reduced, and the oscillator strength of excitons (electron-hole pairs) is reduced, and as a result, the quenching intensity is also reduced. There's a problem.

【0007】尚、従来技術として、電界吸収型光変調器
に関しては、InGaAsP/InGaAs多重量子井戸を吸
収層とする変調器が、宮崎らにより、「1994年電子情報
通信学会春季大会講演論文集分冊4、4-218頁」に報告
されている。また、InGaAs/InAlAs多重量子井戸
を吸収層とする変調器が、井戸らにより、同「1994年電
子情報通信学会春季大会講演論文集分冊4、4-221頁」
に報告されている。また、マッハツェンダー光変調器の
例としては、InGaAs/InAlAs多重量子井戸を導波
層とした変調器が、佐野らにより、「1993年電子情報通
信学会春季大会講演論文集分冊4、4-186頁」に報告さ
れている。
As a conventional technique, regarding an electro-absorption type optical modulator, a modulator using an InGaAsP / InGaAs multiple quantum well as an absorption layer has been reported by Miyazaki et al. 4, pages 4-218 ". In addition, a modulator using an InGaAs / InAlAs multiple quantum well as an absorption layer was proposed by Well et al. In "The 1994 IEICE Spring Conference Lectures, Volume 4, pages 4-221".
Has been reported to. Further, as an example of the Mach-Zehnder optical modulator, a modulator using a waveguide layer of InGaAs / InAlAs multiple quantum wells is described by Sano et al. In "1993 IEICE Spring Conference Lecture Volume 4, 4-186. Page ".

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、従来の技術では、量子井戸構造を採用してQCS
Eを利用した電界吸収型および屈折率制御型の光変調器
(量子井戸光変調器)において、量子井戸幅を広げる
と、動作電圧を下げることができる反面、電子とホール
の波動関数の重なりが小さくなり、励起子の振動子強度
が小さくなり、消光強度も減少してしまう点である。本
発明の目的は、これら従来技術の課題を解決し、消光強
度を落とさずに、量子井戸幅を広げて基礎吸収端シフト
を大きくし、低電圧動作が可能な量子井戸光変調器とそ
れを用いた光通信用モジュールおよび光通信システムを
提供することである。
The problem to be solved is that the prior art employs a quantum well structure and a QCS.
In an electroabsorption type and refractive index control type optical modulator using E (quantum well optical modulator), when the quantum well width is increased, the operating voltage can be reduced, but the wave function of electrons and holes overlaps. In this case, the exciter vibrator strength decreases, and the extinction strength decreases. An object of the present invention is to solve these problems of the prior art, to increase the basic absorption edge shift by widening the quantum well width without lowering the extinction intensity, and to realize a quantum well optical modulator capable of operating at a low voltage and a quantum well optical modulator. An object of the present invention is to provide an optical communication module and an optical communication system used.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の量子井戸光変調器は、井戸層に誘電率の大
きな材質(III-V族化合物、例えばInGaAsP)を用
い、また、障壁層にZeSe等の誘電率の小さな材質(II
-VI族化合物)を用いて量子井戸構造を形成し、井戸層
と障壁層の誘電率の比を1.5より大きくして、量子井
戸での電子と正孔のクーロン相互作用を増強させ、励起
子の結合エネルギと振動子強度を増大させる。その結
果、励起子の結合エネルギを一定に保った場合の量子井
戸幅を従来の材料系に較べて大きくして動作電圧を低く
することができるので、QCSEも大きな効果が得られ
る。
In order to achieve the above object, a quantum well optical modulator according to the present invention uses a material having a high dielectric constant (a group III-V compound, for example, InGaAsP) for a well layer and a barrier layer. For the layer, use a material with a small dielectric constant such as ZeSe (II
-VI compound) to increase the Coulomb interaction between electrons and holes in the quantum well by increasing the dielectric constant ratio between the well layer and the barrier layer to greater than 1.5, Increase the exciton binding energy and oscillator strength. As a result, the quantum well width when the exciton binding energy is kept constant can be made larger and the operating voltage can be made lower than that of the conventional material system, so that the QCSE has a great effect.

【0010】また、基板にInPを用いた場合、障壁層
に、ZnCdSeTeやZnMgSSeを用い、また、基板に
GaAsを用いた場合には、障壁層に、ZnCdSSeやZn
MgSSeを用いることでも良い。また、井戸層に誘電率
が大きいGaInNAsを用いることにより、励起子の振
動子強度増強の効果は一層大きくなり、さらに高感度の
光変調器が得られる。
When InP is used for the substrate, ZnCdSeTe or ZnMgSSe is used for the barrier layer. When GaAs is used for the substrate, ZnCdSSe or Zn is used for the barrier layer.
MgSSe may be used. Further, by using GaInNAs having a large dielectric constant for the well layer, the effect of enhancing the oscillator strength of the excitons is further increased, and an optical modulator with higher sensitivity can be obtained.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を、図面に
より詳細に説明する。図1は、本発明の量子井戸光変調
器の本発明に係る構成の一実施例を示す斜視図である。
本図は、電界吸収型の量子井戸光変調器の例を示してお
り、図1(a)において、1はn-InP(100)基板、
2はn-InPクラッド層、3はInGaAsP/ZnCdSS
e多重量子井戸光吸収層(以下、「MQW光吸収層」と
記載)、4はp-InPクラッド層、5はp+-InGaAs
層、6はn電極、7はp電極をそれぞれ示す。また、8
はSiO2層を、9はポリイミドを示す。また、10は両
端面に塗布された反射防止膜である。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing one embodiment of the configuration according to the present invention of the quantum well optical modulator of the present invention.
FIG. 1 shows an example of an electro-absorption type quantum well optical modulator. In FIG. 1A, reference numeral 1 denotes an n-InP (100) substrate;
2 is an n-InP cladding layer, 3 is InGaAsP / ZnCdSS
e Multiple quantum well light absorption layer (hereinafter referred to as "MQW light absorption layer"), 4 is a p-InP cladding layer, 5 is p + -InGaAs.
The layer, 6 indicates an n-electrode, and 7 indicates a p-electrode. Also, 8
Indicates an SiO 2 layer, and 9 indicates polyimide. Reference numeral 10 denotes an antireflection film applied to both end faces.

【0012】MQW光吸収層3は、図1(b)に拡大し
て示すように、InGaAsP井戸層11とZnCdSSe障
壁層12からなる。本例においては、InGaAsP井戸
層11の井戸幅は14nm、ZnCdSSe障壁層12の障
壁幅は5nmとしている。本例で特徴的なことは、InGa
AsP井戸層11を14nmの井戸幅としたことであり、
量子井戸光変調器自体の作製方法、および各部の働きに
関しては、従来技術のものと同じであり、その詳細につ
いてはここでは説明しない。
The MQW light absorbing layer 3 is composed of an InGaAsP well layer 11 and a ZnCdSSe barrier layer 12, as shown in FIG. In this example, the well width of the InGaAsP well layer 11 is 14 nm, and the barrier width of the ZnCdSSe barrier layer 12 is 5 nm. The characteristic of this example is that InGa
That the AsP well layer 11 has a well width of 14 nm.
The method of manufacturing the quantum well optical modulator itself and the operation of each unit are the same as those of the prior art, and the details will not be described here.

【0013】すなわち、図2にその構成例を示すよう
に、従来の量子井戸光変調器におけるMQW光吸収層は
InGaAs/InAlAsからなり、このInGaAs/InAl
As多重量子井戸光吸収層13のInGaAs井戸層は9n
m、InAlAs障壁層は5nmの幅で構成されている。この
ように、従来のInGaAs/InAlAsからなるMQW光
吸収層の場合、InGaAs井戸層は9nm、InAlAs障壁
層は5nmの幅で構成されるが、本例では、InGaAs井
戸層11の井戸幅は14nmと、広くしている。これによ
り、変調動作の動作電圧を低減することができる。
That is, as shown in FIG. 2, the MQW light absorption layer in the conventional quantum well optical modulator is composed of InGaAs / InAlAs, and the InGaAs / InAlAs.
The InGaAs well layer of the As multiple quantum well light absorption layer 13 is 9n.
The m and InAlAs barrier layers have a width of 5 nm. As described above, in the case of the conventional MQW light absorption layer composed of InGaAs / InAlAs, the InGaAs well layer has a width of 9 nm and the InAlAs barrier layer has a width of 5 nm. In this example, the well width of the InGaAs well layer 11 is 14 nm. And, it is wide. Thereby, the operating voltage of the modulation operation can be reduced.

【0014】従来技術のまま、すなわち、InAlAs障
壁層のまま、InGaAs井戸層11の井戸幅を9nmから
14nmとした場合、井戸層における電子とホールの波動
関数の重なりが小さくなり、励起子の振動子強度が小さ
くなり、消光強度が減少してしまうが、本例において
は、光吸収層の量子井戸の障壁層にII-VI化合物である
ZnCdSSeを用いることにより、この不具合を回避し
ている。以下、ZnCdSSe障壁層12を用いることに
ついて説明する。
When the well width of the InGaAs well layer 11 is changed from 9 nm to 14 nm in the conventional art, that is, while the InAlAs barrier layer remains, the overlap between the electron and hole wave functions in the well layer becomes small, and the vibration of the exciton is reduced. In this example, this problem is avoided by using ZnCdSSe, which is a II-VI compound, for the barrier layer of the quantum well of the light absorption layer. Hereinafter, the use of the ZnCdSSe barrier layer 12 will be described.

【0015】Keldyshにより、「JETP letters vol.29 6
58頁(1979年)」において、小さな誘電率の物質に挟ま
れた大きな誘電率の薄膜中ではクーロン相互作用が増強
されるため、障壁層に誘電率の小さな材料を、また、井
戸層に誘電率の大きな材料を用いた量子井戸では、電子
と正孔のクーロン相互作用が増強され、励起子の結合エ
ネルギと振動子強度が増大することが記載されている。
[0015] According to Keldysh, "JETP letters vol. 29 6
P. 58 (1979) ”, Coulomb interaction is enhanced in a thin film of a large dielectric constant sandwiched between materials of a small dielectric constant, so that a material with a small dielectric constant is used for the barrier layer and a dielectric is used for the well layer. It is described that in a quantum well using a material having a high rate, the Coulomb interaction between electrons and holes is enhanced, and the binding energy of an exciton and the oscillator strength are increased.

【0016】井戸層と障壁層の双方にIII-V族化合物を
用いる従来の材料系の量子井戸では、障壁層と井戸層の
誘電率はいずれも「11」から「14」程度と、その比
が小さく増強の効果はほとんどみられない。これに対
し、II-VI族化合物は、例えば、ZeSeが「7.6」で
あるように一般に誘電率が小さい。そこで障壁層にII-
VI族化合物を用いると、井戸層と障壁層の誘電率の比
が大きくなり、励起子の結合エネルギは増強される。逆
に、励起子の結合エネルギを一定に保った場合、量子井
戸幅は、従来の材料系に較べ大きくできるので、QCS
Eも大きな効果が得られる。
In a conventional material-based quantum well in which a group III-V compound is used for both the well layer and the barrier layer, the permittivity of the barrier layer and the well layer is about "11" to "14". But the effect of enhancement is hardly seen. On the other hand, II-VI group compounds generally have a small dielectric constant, for example, ZeSe is "7.6". Therefore, II-
When the group VI compound is used, the ratio of the dielectric constant between the well layer and the barrier layer increases, and the binding energy of excitons is increased. Conversely, when the exciton binding energy is kept constant, the quantum well width can be made larger than that of the conventional material system.
E also has a great effect.

【0017】本例では、光変調器の量子井戸において、
障壁層にII-VI族化合物半導体であるZnCdSSeを用
いることにより、井戸層の誘電率εwと障壁層の誘電率
εbの比が1.5より大きく、すなわち、(εw/εb)>
1.5となるようにしている。
In this example, in the quantum well of the optical modulator,
By using ZnCdSSe, which is a II-VI group compound semiconductor, for the barrier layer, the ratio of the dielectric constant εw of the well layer to the dielectric constant εb of the barrier layer is larger than 1.5, that is, (εw / εb)>
It is set to 1.5.

【0018】図3は、井戸層の誘電率と障壁層の誘電率
との励起子の結合エネルギに係わる関連を示す説明図で
ある。本図は、井戸層の誘電率εwを「10」に固定
し、障壁層の誘電率εbのみを変化(「1,2,5,1
0」)させた場合の励起子の結合エネルギの井戸幅依存
性を示している。障壁層の誘電率εbを小さくして(1
0→5→2→1)、井戸層の誘電率εwと障壁層の誘電
率εbとの比を大きくとることにより、励起子の結合エ
ネルギが大きくなることが示されている。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship between the dielectric constant of the well layer and the dielectric constant of the barrier layer relating to the exciton binding energy. In this figure, the permittivity εw of the well layer is fixed to “10” and only the permittivity εb of the barrier layer is changed (“1, 2, 5, 1
0 ") shows the well width dependence of the exciton binding energy. Decreasing the dielectric constant εb of the barrier layer (1
0 → 5 → 2 → 1), it is shown that the binding energy of excitons increases by increasing the ratio between the dielectric constant εw of the well layer and the dielectric constant εb of the barrier layer.

【0019】図4は、図1における量子井戸光変調器に
用いた材料と従来技術で用いた材料との結合エネルギの
比較例を示す説明図である。本例は、図1における量子
井戸光変調器に用いたInGaAsP/ZnCdSSe系量子
井戸と、従来の量子井戸光変調器に用いられているIn
GaAs/InAlAs系量子井戸との、井戸幅と励起子の結
合エネルギとの関係を、具体的に示したものである。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a comparative example of the binding energy between the material used for the quantum well optical modulator in FIG. 1 and the material used in the prior art. In this example, the InGaAsP / ZnCdSSe-based quantum well used for the quantum well optical modulator shown in FIG. 1 and the InGaAs used for the conventional quantum well optical modulator were used.
7 specifically shows the relationship between the well width and the exciton binding energy of a GaAs / InAlAs quantum well.

【0020】図中の井戸幅9nm付近で比較すると、図1
における量子井戸光変調器に用いたInGaAsP/ZnCd
SSe系量子井戸の励起子の結合エネルギは、従来の量
子井戸光変調器に用いられていたInGaAs/InAlAs
系量子井戸の励起子の結合エネルギに較べて、20%程
度増加している。逆に、井戸幅9nmのInGaAs/InAl
As系量子井戸と同じ励起子の結合エネルギの、InGa
AsP/ZnCdSSe系量子井戸の井戸幅は14nmであ
る。QCSEの効果は、励起子の結合エネルギが同一の
場合、近似的に井戸幅の4乗で効くので、本例の材料系
を用いた場合、「(14/9)4=5.9」と、約6倍の
感度が得られることがわかる。
FIG. 1 shows a comparison in the vicinity of the well width of 9 nm.
InGaAsP / ZnCd used for quantum well optical modulators in Japan
The binding energy of the excitons in the SSe quantum well is the same as that of InGaAs / InAlAs used in the conventional quantum well optical modulator.
The binding energy of the exciton in the system quantum well is increased by about 20%. Conversely, InGaAs / InAl with a well width of 9 nm
InGa of the same exciton binding energy as the As quantum well
The well width of the AsP / ZnCdSSe quantum well is 14 nm. The effect of the QCSE is approximately the fourth power of the well width when the exciton binding energy is the same, so that when the material system of this example is used, “(14/9) 4 = 5.9” It can be seen that about six times the sensitivity can be obtained.

【0021】次に、このような量子井戸光変調器を利用
した光変調用通信モジュールの例を説明する。図5は、
図1における量子井戸光変調器を用いた光変調用通信モ
ジュールの一構成例を示すブロック図である。本例の光
通信用の変調器モジュール105は、サブマウント10
1上に、図1における電界吸収型の量子井戸光変調器1
02と、その量子井戸光変調器102の光軸上に、光フ
ァイバ103a,103bとレンズ104a,104b
を固定してなる。
Next, an example of an optical modulation communication module using such a quantum well optical modulator will be described. FIG.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of a communication module for optical modulation using the quantum well optical modulator in FIG. 1. The optical communication modulator module 105 of this example is
1, an electroabsorption type quantum well optical modulator 1 shown in FIG.
02 and optical fibers 103a and 103b and lenses 104a and 104b on the optical axis of the quantum well optical modulator 102.
Is fixed.

【0022】光ファイバ103aからの光は、レンズ1
04aにより、量子井戸光変調器102の光吸収層に集
光され、量子井戸光変調器102において光変調され
る。量子井戸光変調器102で変調されて出力さた光
は、レンズ104bにより、光ファイバ103bのコア
に送り出され、光ファイバ103bで伝送される。次
に、このような量子井戸光変調器102を用いた光通信
用変調器モジュール105を利用した通信システムにつ
いて説明する。
The light from the optical fiber 103a is
The light is condensed on the light absorption layer of the quantum well optical modulator 102 by the optical modulator 04a, and the light is modulated in the quantum well optical modulator 102. The light modulated and output by the quantum well optical modulator 102 is sent out to the core of the optical fiber 103b by the lens 104b and transmitted by the optical fiber 103b. Next, a communication system using the optical communication modulator module 105 using the quantum well optical modulator 102 will be described.

【0023】図6は、図5における光通信用の変調器モ
ジュールを用いた幹線系光通信システムの一構成例を示
すブロック図である。本例の送信装置106は、変調器
モジュール105に光を入力するための半導体レーザ1
07と、変調器モジュール105を駆動するための駆動
制御部108とを具備する。半導体レーザ107からの
光は、変調器モジュール105で光信号に変換され、光
ファイバ109を通って受信装置111内の受光部11
0で検出される。
FIG. 6 is a block diagram showing an example of the configuration of a trunk optical communication system using the optical communication modulator module shown in FIG. The transmitting device 106 of the present example is a semiconductor laser 1 for inputting light to the modulator module 105.
07, and a drive control unit 108 for driving the modulator module 105. Light from the semiconductor laser 107 is converted into an optical signal by the modulator module 105, passes through the optical fiber 109, and is received by the light receiving unit 11 in the receiver 111.
0 is detected.

【0024】以上、図1〜図6を用いて説明したよう
に、本例の量子井戸光変調器では、井戸層に誘電率の大
きな材質(InGaAs)を、また、障壁層には誘電率の
小さな材質(ZnCdSSe)を用いて、井戸層の誘電率
と障壁層の誘電率の比を1.5より大きくすることによ
り、量子井戸における励起子の結合エネルギを高めるこ
とができる。このことにより、励起子の結合エネルギを
一定に保った場合には、量子井戸幅を従来に比べて広げ
ることができ、低い電圧での動作が可能となる。
As described above with reference to FIGS. 1 to 6, in the quantum well optical modulator of this embodiment, a material having a high dielectric constant (InGaAs) is used for the well layer, and a dielectric constant is used for the barrier layer. By using a small material (ZnCdSSe) and making the ratio between the dielectric constant of the well layer and the dielectric constant of the barrier layer larger than 1.5, the binding energy of excitons in the quantum well can be increased. As a result, when the exciton binding energy is kept constant, the quantum well width can be increased as compared with the conventional case, and operation at a low voltage becomes possible.

【0025】そして、このように、低電圧で動作させる
ことができるので、小型で集積化可能な超高速通信に適
した光変調器となり、この量子井戸光変調器を用いるこ
とにより、安価で信頼性の高い長距離光通信モジュール
の作成と光通信システムの構築が可能となる。
In addition, since the optical modulator can be operated at a low voltage in this way, the optical modulator is small and can be integrated and is suitable for ultra-high-speed communication. By using this quantum well optical modulator, it is inexpensive and reliable. It is possible to create a long-distance optical communication module with high reliability and to construct an optical communication system.

【0026】尚、本発明は、図1〜図6を用いて説明し
た例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない
範囲において種々変更可能である。例えば、本例におい
ては、障壁層にZnCdSSeを用いたが、ZnCdSeTe
や、ZnMgSSeもInPに格子整合する系であり、か
つ、誘電率は小さいので、ZnCdSeTeやZnMgSSe
を障壁層に用いることによっても同様の効果が得られる
ことは言うまでもない。また、ZnCdSSeおよびZnM
gSSeは、基板にGaAsを用いた場合にも用いることが
できる。
The present invention is not limited to the example described with reference to FIGS. 1 to 6, and can be variously modified without departing from the gist thereof. For example, in this example, ZnCdSeTe was used for the barrier layer, but ZnCdSeTe
Also, ZnMgSSe is also a system lattice-matched to InP and has a small dielectric constant, so that ZnCdSeTe or ZnMgSSe
It is needless to say that the same effect can be obtained by using as a barrier layer. In addition, ZnCdSSe and ZnM
gSSe can also be used when GaAs is used for the substrate.

【0027】また、井戸層に誘電率が大きいGaInNA
sを用いると、励起子の振動子強度増強の効果は一層大
きくなり、さらに高感度の光変調器が得られる。また、
本例では、電界吸収型光変調器について説明したが、マ
ッハツェンダー型変調器に応用しても同様の効果を得ら
れるのは言うまでもない。
Further, GaInNA having a large dielectric constant is formed in the well layer.
When s is used, the effect of enhancing the oscillator strength of the excitons is further enhanced, and an optical modulator with higher sensitivity can be obtained. Also,
In this example, the electro-absorption type optical modulator has been described. However, it is needless to say that the same effect can be obtained by applying to an Mach-Zehnder type modulator.

【0028】[0028]

【発明の効果】本発明によれば、量子井戸構造を採用し
てQCSEを利用した電界吸収型および屈折率制御型の
光変調器(量子井戸光変調器)において、消光強度を落
とさずに量子井戸幅を広げて動作電圧を下げることがで
き、量子井戸光変調器とそれを用いた光通信用モジュー
ルおよび光通信システムの信頼性の向上と低コスト化を
図ることが可能である。
According to the present invention, in an electro-absorption type and a refractive index control type optical modulator (quantum well optical modulator) using a QCSE employing a quantum well structure, the quantum efficiency is maintained without decreasing the extinction intensity. The operating voltage can be reduced by widening the well width, and the reliability and cost of the quantum well optical modulator, the optical communication module and the optical communication system using the same can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の量子井戸光変調器の本発明に係る構成
の一実施例を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing one embodiment of a configuration according to the present invention of a quantum well optical modulator of the present invention.

【図2】従来の量子井戸光変調器における多重量子光吸
収層の構成例を示す説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a configuration example of a multiple quantum light absorption layer in a conventional quantum well optical modulator.

【図3】井戸層の誘電率と障壁層の誘電率との励起子の
結合エネルギに係わる関連を示す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship between the dielectric constant of a well layer and the dielectric constant of a barrier layer relating to exciton binding energy.

【図4】図1における量子井戸光変調器に用いた材料と
従来技術で用いた材料との結合エネルギの比較例を示す
説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a comparative example of the binding energy between the material used for the quantum well optical modulator in FIG. 1 and the material used in the prior art.

【図5】図1における量子井戸光変調器を用いた光変調
用通信モジュールの一構成例を示すブロック図である。
5 is a block diagram showing a configuration example of a communication module for optical modulation using the quantum well optical modulator shown in FIG. 1;

【図6】図5における光通信用の変調器モジュールを用
いた幹線系光通信システムの一構成例を示すブロック図
である。
6 is a block diagram showing a configuration example of a trunk optical communication system using the optical communication modulator module shown in FIG. 5;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:n-InP(100)基板、2:n-InPクラッド層、
3:InGaAsP/ZnCdSSe多重量子井戸光吸収層、
4:p-InPクラッド層、5:p+-InGaAs層、6:n
電極、7:p電極、8:SiO2膜、9:ポリイミド、1
0:反射防止膜、11:InGaAsP井戸層、12:Zn
CdSSe障壁層、13:InGaAs/InAlAs多重量子
井戸光吸収層、14:InGaAs井戸層、15:InAl
As障壁層、101:サブマウント、102:電界吸収
型光変調器、103a,103b:光ファイバ、104
a,104b:レンズ、105:変調器モジュール、1
06:送信装置、107:半導体レーザ、108:駆動
制御部、109:光ファイバ、110:受光器、11
1:受信装置。
1: n-InP (100) substrate, 2: n-InP clad layer,
3: InGaAsP / ZnCdSSe multiple quantum well light absorption layer,
4: p-InP cladding layer, 5: p + -InGaAs layer, 6: n
Electrode, 7: p electrode, 8: SiO 2 film, 9: polyimide, 1
0: antireflection film, 11: InGaAsP well layer, 12: Zn
CdSSe barrier layer, 13: InGaAs / InAlAs multiple quantum well light absorption layer, 14: InGaAs well layer, 15: InAl
As barrier layer, 101: submount, 102: electroabsorption optical modulator, 103a, 103b: optical fiber, 104
a, 104b: lens, 105: modulator module, 1
06: transmitting device, 107: semiconductor laser, 108: drive control unit, 109: optical fiber, 110: light receiver, 11
1: Receiver.

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 井戸層と障壁層からなる量子井戸吸収層
を有し、該量子井戸吸収層に印加する電界を変えること
により上記量子井戸吸収層に入射された光の吸収程度を
変化させて光変調を行う電界吸収型の量子井戸光変調器
において、上記井戸層と上記障壁層のそれぞれを、上記
井戸層の誘電率εwと上記障壁層の誘電率εbとの比(ε
w/εb)が1.5より大きくなる材料の組み合わせで形
成したことを特徴とする量子井戸光変調器。
1. A quantum well absorption layer comprising a well layer and a barrier layer, wherein a degree of absorption of light incident on the quantum well absorption layer is changed by changing an electric field applied to the quantum well absorption layer. In the electro-absorption quantum well optical modulator that performs light modulation, each of the well layer and the barrier layer is formed by a ratio (ε) between a dielectric constant εw of the well layer and a dielectric constant εb of the barrier layer.
A quantum well optical modulator characterized by being formed of a combination of materials whose w / εb) is larger than 1.5.
【請求項2】 井戸層と障壁層からなる量子井戸導波層
を有し、該量子井戸導波層に印加する電界を変えること
により上記量子井戸導波層に入射された光の屈折率を変
化させて光変調を行う屈折率制御型の量子井戸光変調器
において、上記井戸層と上記障壁層のそれぞれを、上記
井戸層の誘電率εwと上記障壁層の誘電率εbとの比(ε
w/εb)が1.5より大きくなる材料の組み合わせで形
成したことを特徴とする量子井戸光変調器。
2. A quantum well waveguide layer comprising a well layer and a barrier layer. The refractive index of light incident on the quantum well waveguide layer is changed by changing an electric field applied to the quantum well waveguide layer. In the refractive index control type quantum well optical modulator that performs optical modulation by changing, the well layer and the barrier layer each have a ratio (ε) between the dielectric constant εw of the well layer and the dielectric constant εb of the barrier layer.
A quantum well optical modulator characterized by being formed of a combination of materials whose w / εb) is larger than 1.5.
【請求項3】 井戸層と障壁層からなる量子井戸導波層
を有し、該量子井戸導波層に印加する電界を変えること
により上記量子井戸導波層に入射された光の屈折率を変
化させて該屈折率の変化によって生じる位相変化を利用
して光変調を行うマッハツェンダー型の量子井戸光変調
器において、上記井戸層と上記障壁層のそれぞれを、上
記井戸層の誘電率εwと上記障壁層の誘電率εbとの比
(εw/εb)が1.5より大きくなる材料の組み合わせ
で形成したことを特徴とする量子井戸光変調器。
3. A quantum well waveguide layer comprising a well layer and a barrier layer. The refractive index of light incident on the quantum well waveguide layer is changed by changing an electric field applied to the quantum well waveguide layer. In a Mach-Zehnder quantum well optical modulator that modulates light by utilizing a phase change caused by a change in the refractive index, each of the well layer and the barrier layer has a dielectric constant εw of the well layer. A quantum well optical modulator formed of a combination of materials whose ratio (εw / εb) to the dielectric constant εb of the barrier layer is greater than 1.5.
【請求項4】 請求項1から請求項3のいずれかに記載
の量子井戸光変調器において、上記井戸層をIII-V族化
合物で形成し、上記障壁層をII-VI族化合物で形成し、
上記井戸層の誘電率εwと上記障壁層の誘電率εbとの比
(εw/εb)を1.5より大きくすることを特徴とする
量子井戸光変調器。
4. The quantum well optical modulator according to claim 1, wherein said well layer is formed of a group III-V compound, and said barrier layer is formed of a group II-VI compound. ,
A quantum well optical modulator, wherein the ratio (εw / εb) of the dielectric constant εw of the well layer to the dielectric constant εb of the barrier layer is greater than 1.5.
【請求項5】 請求項1から請求項4のいずれかに記載
の量子井戸光変調器において、上記障壁層はZnSe,C
dSe,CdTe,ZnTe,CdS,ZnS,MgSe,MgS
のいずれか、もしくは、これらの混晶からなることを特
徴とする量子井戸光変調器。
5. The quantum well optical modulator according to claim 1, wherein said barrier layer is made of ZnSe, C
dSe, CdTe, ZnTe, CdS, ZnS, MgSe, MgS
Or a quantum well optical modulator comprising a mixed crystal thereof.
【請求項6】 請求項1から請求項5のいずれかに記載
の量子井戸光変調器において、上記井戸層はGaInNA
sからなることを特徴とする量子井戸光変調器。
6. The quantum well optical modulator according to claim 1, wherein said well layer is formed of GaInNA.
A quantum well optical modulator comprising s.
【請求項7】 請求項1から請求項5のいずれかに記載
の量子井戸光変調器において、上記井戸層はInGaAs
Pからなることを特徴とする量子井戸光変調器。
7. The quantum well optical modulator according to claim 1, wherein said well layer is made of InGaAs.
A quantum well optical modulator comprising P.
【請求項8】 請求項1から請求項7のいずれかに記載
の量子井戸光変調器と、該量子井戸光変調器に入力光を
光学的に結合させる手段と、上記量子井戸光変調器から
の出力光を外部の光ファイバに光学的に結合させる手段
とを有することを特徴とする光通信用モジュール。
8. A quantum well optical modulator according to claim 1, further comprising: means for optically coupling input light to said quantum well optical modulator; and said quantum well optical modulator. Means for optically coupling the output light to an external optical fiber.
【請求項9】 請求項1から請求項7のいずれかに記載
の量子井戸光変調器を具備して該量子井戸光変調器で変
調した光信号を送出する送信手段と、該送信手段から送
出された光信号を導波する導波手段と、該導波手段で導
波されてきた光信号を受信する受信手段とを有すること
を特徴とする光通信システム。
9. A transmission means comprising the quantum well optical modulator according to claim 1 for transmitting an optical signal modulated by the quantum well optical modulator, and transmission from the transmission means. An optical communication system, comprising: waveguide means for guiding an optical signal, and receiving means for receiving an optical signal guided by the waveguide means.
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